燃料电池用侧链型磺化聚砜质子交换膜的性能

在制备氯甲基化聚砜(CPS)的基础上,以1,2-二羟基苯-3,5-二磺酸钠为试剂,通过亲核取代反应制备一种侧链末端为磺酸基团的侧链型磺化聚砜(PS-BDS),并采用溶液浇注法制备相应的质子交换膜(PEM),研究温度对PEM性能的影响规律。 结果表明,由于亲水基团远离疏水聚合物主链,该PEM能够形成亲水微区远离疏水微区的相分离结构,亲水区域对主链的影响较小,该PEM在高磺化度下仍能保持较好的尺寸稳定性,随着温度的升高,PEM的吸水率(WU)、吸水溶胀率(SW)和质子传导率(PC)升高,其中PS-BDS-4(离子交换容量为1.57 mmol/g)在25和85 ℃时的SW仅为22.1%和55.0%,甲醇的渗透率(DK)仅为10.17×10^-7 cm²/s,低于商业化的Nafion115(16.8×10^-7 cm²/s)和Nafion117(23.8×10^-7 cm²/s),表现出很好的综合性能。     

侧链磺化型聚砜质子交换膜的设计与制备及其性能研究

在制备氯甲基化聚砜(CMPSF)的基础上,以对羟基苯磺酸钠(HBSS)和羟基苯二磺酸钠(HBDSS)为亲核试剂,通过亲核取代反应,在聚砜(PSF)主链上分别键联了以苯磺酸根(BSS)和苯二磺酸根(BDSS)基团为末端基的侧链,制得了亲水磺酸根基团与疏水主链"微相分离"结构的2种侧链型磺化聚砜PSF-BSS和PSF-BDSS,并优化了制备条件.在对磺化聚砜产物进行充分表征(FTIR和1H-NMR谱)的基础上,采用流延成膜法制备了质子交换膜,测定了质子交换膜的基本性能,重点考察了质子交换膜"芳香性"主链和亲疏水微区"相分离"这2种结构因素对交换膜性能的影响.实验结果表明,在极性较强的溶剂中,CMPSF与羟基苯磺酸钠可顺利地发生亲核取代反应,于100℃经40 h反应可制得磺酸根键合量分别为2.07 mmol/g和2.11 mmol/g的磺化聚砜PSF-BSS和PSF-BDSS.所制备的质子交换薄膜具有较高的质子传导率(PSF-BDSS交换膜室温为4.7×10-2S/cm,80℃为8.1×10-2S/cm),优良的尺寸稳定性(室温溶胀率为8.6%,80℃溶胀率为30%),且具有良好的热稳定性与抗氧化稳定性.     

基于一锅法的磺化聚砜质子交换膜的性能

以双酚A型聚砜(PSF)为基质材料,通过傅-克烷基化反应在PSF主链引入—NCO活性基团,制备乙基异氰酸化聚砜(PS-SA)。 在制备PS-SA的基础上,采用两步一锅法,PS-SA与2-萘酚-6,8-二磺酸钾通过亲核取代反应,制备一种侧链含有萘环的萘磺酸型磺化聚砜PS-NS,充分表征聚合物的化学结构,以溶液浇注的方法制备质子交换膜,研究了温度对PS-NS膜的吸水率(WU,Water Uptaking)、吸水溶胀性(Swelling Ratio)、质子传导率(Proton Conductivity)等基本性能的影响。 结果表明,PS-NS膜由于亲水基团距离较远,能够很容易形成相分离结构,所制备的质子交换膜高WU下尺寸稳定性仍然很高,其中PS-NS-4膜(磺酸基团键合量为1.42 mmol/g)在25和85 ℃的WU高达27.2%和40.3%,但是相应的吸水溶胀性仅为25.2%和57.2%,与相同条件下Nafion115膜的性能十分接近。     

一类侧链型磺化聚芳醚砜质子交换膜的合成及表征

以4,4'-二氟二苯砜和N-溴代丁二酰亚胺为起始原料,经两步有机反应设计并合成了一种新型活性二氟砜单体:3,3'-双(苯氧基苯基)-4,4'-二氟二苯砜,并由该单体与4,4'-二氟二苯砜、4,4'-二羟基二苯甲酮经亲核缩聚合成了侧链型聚芳醚砜聚合物(PAES-xx).通过较温和的后磺化反应,制得了一系列磺化聚芳醚砜质子交换膜(SPAES-xx).对所制侧链型聚芳醚砜质子交换膜的结构和性能分别进行了表征分析.结果表明,该类质子交换膜具有适中的吸水率和较好的尺寸稳定性,80℃时最高质子传导率达0.16 S/cm.此外,该类质子交换膜还具有良好的热稳定性和机械性能,起始分解温度约为250℃;膜的拉伸强度为29.5~42.0MPa,拉伸模量为0.62~1.23 GPa,断裂伸长率在9.0%~31.9%.磺化膜优良的综合性能主要归因于侧链磺化结构的引入和相分离结构的形成.     

侧链磺化型含氟聚芳醚质子交换膜的制备及性能

在含氟聚芳醚侧链引入磺化萘酚基团,制备了一类侧链磺化型含氟聚芳醚(s SPFAE),采用溶液浇铸法制膜并对膜进行了表征和分析.制备的膜材料离子交换容量达到1.42~2.03 mmol/g,均透明柔韧,杨氏模量高于1.0 GPa,拉伸应变达到66%~105%.吸水性及膨胀性测试结果表明该系列膜具有较低的吸水率和良好的尺寸稳定性,在测试温度范围内(30~90℃)吸水率为21%~51%,尺寸变化率低于7%.s SPFAE膜具有良好的热稳定性及氧化稳定性,TGA测试中320~360℃时的重量损失低于5%,在Fenton溶液中80℃处理1 h后的失重率小于2%.同时,该系列膜表现出较高的电导率水平,如SPFAE-0.8膜(IEC=2.03 mmol/g)在80℃时电导率达到217 m S/cm.     

燃料电池用磺化聚砜类质子交换膜研究

聚砜类聚合物是一类具有良好应用前景的质子交换膜材料。本文对近年来磺化聚砜的制备、磺化聚砜质子交换膜的性能和磺化聚砜交联膜的研究情况做了比较全面的归纳与分析,特别是从聚砜膜的水化性能和导电性能两个大的方面对该类膜的物理性能和电化学性能进行了阐述,并对存在的问题以及研究前景进行了探讨。     

侧链磺化聚芳醚质子交换膜的研究进展

燃料电池是以氢气、甲醇等作为燃料的一种新型能量转化装置,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）凭借其能量功率高、启动速度快和使用寿命长等优点已经在移动电源、潜艇和电动汽车等领域得到了广泛应用。质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对PEMFC的性能影响最大,高效的PEMFC需要PEM具有高的质子电导率、良好的热稳定性和机械性能、低燃料渗透率以及优异的物理化学稳定性等。目前市面上多数使用的均是具有优异质子电导率的Nafion系列膜,但其存在制备困难、成本昂贵、质子电导率严重依赖湿度等缺点,在一定程度上限制了其发展。为了让PEM有更多的选择,科学家一直专注于使用新材料替代Nafion膜。近年来,科学家们模拟Nafion结构,通过合成各种侧链含磺酸基团的聚芳醚结构,使得亲水基团磺酸基和疏水基团之间形成微相分离结构,从而获得了一系列具有优异综合性能的PEM。本文将重点对侧链烷基磺化型、侧链磺化嵌段型、侧链局部密集磺化型、侧链磺化交联型和侧链磺化复合型这几种常见策略的合成方法及性能进行了综述,最后展望了侧链磺化聚芳醚在PEM领域的优势及发展前景。     

具有高效长侧链的芘磺酸型磺化聚砜阳离子交换膜的性能

以双酚A型聚砜和无致癌毒性的溴甲基化试剂1,4-二溴丁烷为原料,通过烷基化反应在聚砜分子上引入可交换溴原子制备溴代聚砜(BPSF),将BPSF与8-羟基-1,3,6-芘三磺酸钠(TS)试剂通过亲核取代反应制备一种磺酸基团远离聚合物主链的芘磺酸型磺化聚砜(PS-TS).采用溶液流延法制备PS-TS阳离子交换膜,通过控制亲...     

萘磺酸型侧链磺化聚砜质子交换膜的性能

以聚砜(PS)和自制的1,4-二氯甲氧基丁烷(BCD)为氯甲基化试剂通过Fridel-Crafts烷基反应制备氯甲基化聚砜(CPS),紧接着氯甲基与2-萘酚-6,8-二磺酸钾(NSK)试剂通过亲核取代反应制备一种萘磺酸型磺化聚砜(PS-NS),在用红外和核磁氢谱充分表征的基础上制备一系列磺酸基团键合量不同的PS-NS质子交换膜(分别为PS-NS-1,PS-NS-2,PS-NS-3)重点研究温度对质子交换膜性能的影响规律。研究结果表明:由于亲水基团与疏水主链距离较远,能够形成类似于Nafion膜的微相分离结构,使得该质子交换膜在高磺化度下仍能保持高的尺寸稳定性,同时随着温度升高,质子交换膜的吸水率、溶胀性以及质子传导率增加,PS-NS-3在25℃和85℃的吸水率为21. 3%和42. 7%,但是溶胀率仅为22. 2%和50. 3%,与商业化Nafion115膜(24. 9%和55. 0%)的性能十分接近,表现出很好的尺寸稳定性。     

侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜的制备及其阳离子交换膜的基本性能

采用两步一锅法,在聚砜(PSF)主链上键联了末端基为磺酸根基团的侧链,获得了疏水主链与磺酸根基团"微相分离"结构的磺化改性PSF。以氯乙基异氰酸酯(CEIC)为亲电试剂,使PSF主链上的苯环发生付-克烷基化反应,制得侧链含有活性基团—NCO的中间产物聚合物PSFeic;通过活性基团—NCO与对羟基苯磺酸钠(HBSAS)生成氨基甲酸酯的较快速的反应,获得了侧链末端为磺酸根基团的磺化改性聚砜PSF-sas。采用FT-IR、1 H-NMR及紫外分光光度法对目标产物聚合物PSF-sas的化学结构进行了表征。以PSF-sas为膜材,采用流延法制备了PSF阳离子交换膜,测定了交换膜的基本性能,包括离子交换容量、吸水率及质子传导率。研究结果表明,在路易斯酸催化剂作用下,CEIC与PSF主链上苯环之间的付-克烷基化反应可顺利进行,生成中间聚合物产物PSF-eic;以强极性的二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂,反应24h,PSF-eic分子链中乙基异氰酸酯(eic)的键合量可达2.43mmol/g。在此基础上进行第2步反应,可得到磺酸根基团含量为2.23mmol/g的目标产物PSF-sas,所制备的阳离子交换膜,具有高的离子交换容量,适当的吸水率与高的质子传导率。     

Tuning the Electrochemical Properties of Novel Asymmetric Integral Sulfonated Polysulfone Cation Exchange Membranes

In this study, novel asymmetric integral cation exchange membranes were prepared by the wet phase inversion of sulfonated polysulfone (SPSf) solutions. SPSf with different degrees of sulfonation (DS) was synthesized by variation in the amount of chlorosulfonic acid utilized as a sulfonating agent. The characterization of SPSf samples was performed using FTIR and ¹H-NMR techniques. SPSf with a DS of 0.31 (0.67 meq/g corresponding ion exchange capacity) was chosen to prepare the membranes, as polymers with a higher DS resulted in poor mechanical properties and excessive swelling in water. By a systematic study, the opportunity to tune the properties of SPSf membranes by acting on the composition of the polymeric solution was demonstrated. The effect of two different phase inversion parameters, solvent type and co-solvent ratio, were investigated by morphological and electrochemical characterization. The best properties (permselectivity of 0.86 and electrical resistance of 6.3 Ω∙cm²) were obtained for the membrane prepared with 2-propanol (IPA):1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP) in a 20:80 ratio. This membrane was further characterized in different solution concentrations to estimate its performance in a Reverse Electrodialysis (RED) operation. Although the estimated generated power was less than that of the commercial CMX (Neosepta) membrane, used as a benchmark, the tailor-made membrane can be considered as a cost-effective alternative, as one of the main limitations to the commercialization of RED is the high membrane price.     

Synthesis and Properties of Novel Side‐Chain Sulfonated Poly(Arylene Ether Sulfone)s for Proton Exchange Membranes

A series of novel side‐chain sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) multiblock and random copolymers were synthesized by condensation polymerization from a new disulfonated aryl sulfone monomer, 4,4′‐difluoro‐2,2′‐bis(3‐sulfobenzoyl)diphenyl sulfone disodium salt (DFBSPS). The chemical structures of DFBSPS and the SPAESs were characterized by proton nuclear magnetic resonance (¹H NMR) and Fourier transform infrared (FTIR) spectra. The SPAES membranes prepared by solution cast method exhibited high tensile strength (50–71 MPa) and high radical oxidative stability. They could keep their morphology and maintain proton conductivities after hydrolysis test in 95 °C water for 1000 h. They also showed smaller swelling ratio in in‐plane direction than in through‐plane direction and such an anisotropic effect was more significant for the multiblock copolymers than for the random ones. The multiblock copolymer membranes exhibited higher proton conductivity than the random ones with similar ion exchange capacities (IECs). Preliminary hydrogen‐oxygen fuel cell tests were performed at 60 °C and 80% relative humidity (RH). The results showed that the single cell equipped with the multibiock copolymer membrane SB3 exhibited 0.12 W cm^?2 higher maximum output power density than the one equipped with the random copolymer membrane SR3 (with the same IEC), indicating much better performance of the former. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2019, 57, 2304–2313     

侧链结构对磺化聚芳醚性能及微观形貌的影响

比较了3种主链结构相同而侧链结构不同的磺化聚芳醚(SPAE)材料的性能. 分析了侧链结构对聚合物的吸水、 溶胀及质子传导行为的影响. 结果表明, 在相同的离子交换容量(IEC)条件下, 具有柔顺脂肪族侧链的聚芳醚材料具有较高的质子传导率. 其原因是由于柔顺的脂肪族侧链比刚性的芳香族侧链更易运动, 有利于侧链末端磺酸基团的聚集, 进而形成离子簇. 3种聚合物微观形貌的分析结果表明, 含柔顺侧链结构的聚合物薄膜具有更大的质子传输通道, 其结果与聚合物的宏观吸水和传导现象相吻合.     

侧链液晶高分子的非线性光学特征及其应用

阐述了侧链高分子液晶非线性光学的基本原理,着重讨论了影响非线性光学特征的几个基本因素,说明了双折射与外场强度、双折射与序参数之间的定量关系,展望了侧链高分子液晶非线性光学特征在一些领域中的应用前景。     

侧链型含氟磺化聚醚砜/磺化聚酰亚胺共混质子交换膜的制备及性能

制备了一类侧链型含氟磺化聚醚砜(s SPFES)与磺化聚酰亚胺(SPI)共混质子交换膜(s SPFES/SPI),研究了其吸水率、尺寸变化、质子电导率及稳定性等性能.结果表明,2种磺化聚合物以三乙胺盐型溶液共混及铸膜时相容性良好,制备的s SPFES/SPI共混质子交换膜结构均一,透明结实,离子交换容量为1.76~1.88 mmol/g.s SPFES/SPI共混质子交换膜表现出横向低于纵向的各向异性尺寸变化特性,在60℃水中横向尺寸变化率低于10%,经140℃加压水处理24 h后仍能保持较好的机械强度,质量损失低于6.1%.当温度高于50℃时,完全水合状态下的s SPFES/SPI共混质子交换膜的质子电导率均达到0.1 S/cm.     

侧链含酞菁铜功能基的聚苯胺的制备与性能研究

以酞菁铜、氯磺酸和氯化亚砜为原料合成酞菁铜磺酰氯,并将其与本征态聚苯胺进行反应,合成了侧链悬挂酞菁铜功能基的聚苯胺(PAnCuPc).用元素分析、红外光谱和紫外-可见吸收光谱对产物和反应中间体进行了结构表征.PAnCuPc可溶于强极性非质子溶剂.如NMP,DMF,DMSO和DMAc,甚至在常用的低沸点溶剂如THF和三氯甲烷中也有一定的溶解性.红外光谱研究表明,与本征态聚苯胺相比,侧链含酞菁铜功能基的聚苯胺的吸收峰向低频方向移动.紫外-可见吸收光谱表明,侧链悬挂酞菁铜功能基的聚苯胺在可见光区和近红外区都具有较强的吸收.透射电镜和X射线衍射研究表明,该产物具有较强的结晶性能.